激光光混合器在超快時(shí)間內(nèi)控制巨大的電流

圓偏振激光脈沖（a-c）與亨克姆激光脈沖（d-f）。應(yīng)用于二維材料二硒化鎢的圓偏振光波的矢量電位在激光脈沖（a,b）之后沒有產(chǎn)生任何剩余電流，僅僅激發(fā)了谷底電荷狀態(tài)，（c），由于電荷激發(fā)位于谷底中心（紅線所示的布里淵區(qū)的頂點(diǎn)），所有激發(fā)狀態(tài)的布洛赫速度抵消。相比之下，一個(gè)亨克姆脈沖，其中圓極化的光波被一個(gè)打破對(duì)稱的線性極化的太赫茲分量所增強(qiáng)，產(chǎn)生一個(gè)明顯的剩余電流（d,e），這是因?yàn)閷?duì)稱性的打破將激發(fā)的電荷從谷底中心移開（f），導(dǎo)致在激發(fā)的電荷分布上的電流不被取消。雖然太赫茲脈沖本身沒有導(dǎo)致激勵(lì)，但與圓偏振光相結(jié)合，太赫茲偏振矢量和振幅是完全控制最終電流狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。資料來(lái)源：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

物質(zhì)的流動(dòng)，從宏觀的水流到微觀的電荷流動(dòng)，支撐著現(xiàn)代社會(huì)的許多基礎(chǔ)設(shè)施。在尋求能源效率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和處理速度方面的突破時(shí)，科學(xué)家們尋找方法來(lái)控制物質(zhì)的量子方面的流動(dòng)，如電子的 "自旋"--其磁矩或其 "谷態(tài)"，這是許多二維材料中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)的一個(gè)新的量子方面。

柏林馬克斯-波恩研究所的一個(gè)研究小組最近發(fā)現(xiàn)了一條路線，可以用專門設(shè)計(jì)的激光脈沖在超快時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)和控制自旋和谷底電流的流動(dòng)，為正在進(jìn)行的對(duì)下一代信息技術(shù)的探索提供了一個(gè)新的視角。

超快激光對(duì)物質(zhì)的基本量子自由度的控制代表了在建立未來(lái)信息技術(shù)時(shí)需要應(yīng)對(duì)的突出的基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)，這些技術(shù)超越了定義我們現(xiàn)在的半導(dǎo)電子技術(shù)。在這方面，兩個(gè)最有前途的量子自由度是電子的自旋和 "谷底指數(shù)"，后者是二維材料中出現(xiàn)的與準(zhǔn)粒子動(dòng)量相關(guān)的自由度。

在數(shù)據(jù)操作速度和能源效率方面，自旋電子學(xué)和谷底電子學(xué)都比經(jīng)典電子學(xué)有許多潛在的優(yōu)勢(shì)。然而，雖然自旋激發(fā)遭受到自旋軌道誘導(dǎo)的自旋預(yù)演所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)特性的損失，但谷底波函數(shù)代表了一個(gè) "數(shù)據(jù)位"，其穩(wěn)定性僅受到間隔散射的威脅，這一特性可由樣品質(zhì)量控制。因此，谷電子學(xué)為超越經(jīng)典電子學(xué)提供了一個(gè)潛在的強(qiáng)大平臺(tái)。

在任何未來(lái)的谷底電子學(xué)或自旋電子學(xué)技術(shù)的核心，除了編碼數(shù)據(jù)位的量子激發(fā)之外，還包括谷底電流和自旋電流的控制和創(chuàng)造。

然而，盡管人們一直關(guān)注在超快時(shí)間尺度上定制光形以選擇性地激發(fā)谷類粒子的任務(wù)，但谷電流和自旋電流的精確創(chuàng)造和控制--對(duì)任何未來(lái)的谷電子技術(shù)都是至關(guān)重要的--仍然超出了超快光控制的范疇。

在最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自柏林馬克斯-伯恩研究所的一個(gè)研究小組表明，結(jié)合兩種偏振類型的混合激光脈沖如何能夠完全控制超快激光-光誘導(dǎo)的電流。

圓偏振光對(duì)電荷狀態(tài)的控制現(xiàn)在已經(jīng)得到了很好的證實(shí)，過(guò)渡金屬二鈣化物著名的 "自旋谷鎖定 "就是源于對(duì)圓偏振光的谷底選擇性反應(yīng)。這可以被看作是產(chǎn)生于涉及構(gòu)成間隙邊緣狀態(tài)的d-軌道的磁量子數(shù)的選擇規(guī)則。雖然圓偏振光激發(fā)了谷底電荷，但是它并沒有產(chǎn)生谷底電流。

這種情況的出現(xiàn)是由于谷底kvalley中的每個(gè)準(zhǔn)動(dòng)量被激發(fā)，相應(yīng)的-kvalley也被激發(fā)：布洛赫速度因此抵消，沒有凈谷底電流。

因此，要完全控制光誘導(dǎo)的谷電流，其大小和方向，需要超越圓偏振光的自旋-谷鎖定范式。因此，創(chuàng)造一個(gè)確實(shí)導(dǎo)致凈谷和自旋電流的谷底激發(fā)態(tài)必須涉及到打破當(dāng)?shù)氐膋谷、-k谷退能性。由于激光矢量勢(shì)直接耦合到晶體準(zhǔn)動(dòng)量，k→k-A(t)/c，最有效的方法是通過(guò)線性偏振單周期脈沖，其持續(xù)時(shí)間與圓偏振脈沖相當(dāng)：這樣的脈沖顯然是在1太赫茲到50太赫茲的 "太赫茲窗口"。

氦氣光形產(chǎn)生大量的剩余（即在激光脈沖后持續(xù)存在）電流。這是因?yàn)槭芗?zhǔn)動(dòng)量的布洛赫速度沒有被取消，因?yàn)槭芗る姾傻姆植棘F(xiàn)在正好被太赫茲脈沖的偏振矢量從高對(duì)稱性的K點(diǎn)移開。

氦氣脈沖的作用示意圖：（i）半個(gè)周期的太赫茲光驅(qū)動(dòng)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)，將遠(yuǎn)離間隙邊緣的狀態(tài)送到間隙邊緣；（ii）光學(xué)元件激發(fā)跨越間隙的狀態(tài)；（iii）最后，第二個(gè)半周期的太赫茲光將狀態(tài)返回到其原始動(dòng)量。因此，子午線脈沖的整體作用是在由太赫茲脈沖偏振矢量決定的有限谷值動(dòng)量處激發(fā)電荷。資料來(lái)源：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

支撐這個(gè)脈沖作用的物理圖景是這樣示意的：半周期的赫茲脈沖的太赫茲成分驅(qū)動(dòng)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)，將遠(yuǎn)離間隙邊緣的狀態(tài)送到間隙邊緣。在這一點(diǎn)上，圓極化的成分激發(fā)這個(gè)電荷穿過(guò)間隙，最后，太赫茲成分的第二個(gè)半周期使電荷回到它的原始動(dòng)力。

在這種方式下，電荷被激發(fā)在一個(gè)準(zhǔn)動(dòng)量q，其傳導(dǎo)-價(jià)能差，?c - ?v，不等于圓偏振光的能量?ωcirc（因此不等于該光被調(diào)整的帶隙）。太赫茲光成分的偏振矢量代表了亨克夫脈沖的關(guān)鍵控制參數(shù)，偏振方向和振幅分別決定了光誘導(dǎo)電流的方向和振幅。這樣的亨康姆脈沖代表了一條直接控制電荷和電流狀態(tài)的途徑，同時(shí)也是對(duì)谷底活性二維材料的控制，為超快時(shí)間的谷底電子學(xué)和自旋電子學(xué)提供了一條新途徑。